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迷宫、填充曲线、螺旋、密铺:笛卡尔坐标至极坐标转换的拓扑几何

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女士们,先生们,老少爷们儿们!在下张大少。

本文探讨了将正方形映射为圆盘的笛卡尔坐标至极坐标转换,根据其拓扑学与几何学意义展开研究,揭示了经典迷宫与空间填充曲线之间的关联,以及古罗马圆形马赛克镶嵌画中螺旋形态的生成机制,并由此引发更广泛的思考。

笛卡尔坐标至极坐标转换

埃利奥特[4]在探索"计算机生成之美"时、格林菲尔德[5]在构建复杂形态时、布莱歇尔[1]在设计纹样时,都曾考虑运用笛卡尔坐标至极坐标的转换。这项技术甚至已成为图像编辑软件中的常规工具。本文的意图并非制造炫目图像,而是通过对比初始空间与生成空间的特性,反思转换后空间的特殊拓扑与几何结构。

笛卡尔坐标至极坐标的转换,是指将平面上任意点的笛卡尔坐标(x,y)直接视作该点的极坐标(r,θ)。在本文中,我们将探讨将正方形映射为圆盘的转换——令正方形边长等于圆盘直径d。若点P的笛卡尔坐标为(x,y),要获取其转换后对应点P'的极坐标(r,θ),可采用以下转换公式:r = x/2 且 θ = 2πy/d(图1)。


图1:笛卡尔坐标至极坐标转换

除了上述方法,还可以通过交换x与y的角色或调整极轴方向实现转换。在编写计算机图形程序实现此类转换时需注意:虽然该转换在正方形到圆盘(映射至圆心点除外)的数学定义上是双射,但在像素层面却并非如此。因此,要获得正确的转换图像,唯一方法是遍历目标圆盘中的每个像素,逆向追溯其源自正方形中的哪个像素。此外,在Processing(以及多数计算机图形系统)中,y轴方向是朝下的。综合这些因素,我们得以观察该转换(极轴朝上时)如何重塑笛卡尔坐标系创始人的肖像(图2)。


图2:笛卡尔坐标至极坐标转换应用于勒内·笛卡尔肖像(原作为弗朗斯·哈尔斯绘,卢浮宫藏)

人们普遍观察到,在此类转换中,直线会演变为放射状线条或同心圆。具体到我们的案例,垂直线条将转换为放射状射线(图3a),水平线条则转换为同心圆环(图3b)。


图3:笛卡尔坐标至极坐标转换中的线条变换:(a) 垂直线条 (b) 水平线条

这揭示了一些基本的拓扑学事实。我们的初始图像具有明确的顶部与底部、左侧与右侧之分——这在图2的肖像中尤为显著。然而转换后的图像则以圆心与圆周为基准,拥有单一边界而无方位之分。垂直线条转化为从圆心辐射至边界的射线,水平线条(或线段)则转化为闭合环状的同心圆。由此,转换后圆盘(或称极坐标圆盘)的拓扑结构与初始笛卡尔正方形截然不同。若引入中间步骤,可考虑将正方形视为具有柱面或周期拓扑结构——即假设左右两侧相互衔接。最后需补充说明:圆盘边界的圆形形态对于拓扑学探讨而言并无实质影响,它可以是任意形状的闭合曲线。

迷宫与空间填充曲线

笔者对这类转换的首次运用,源于对迷宫的研究[2]。

与"迷宫"一词的常见含义相反,中世纪及古克里特迷宫均为单路结构——这意味着其中仅有一条路径,既无岔道也无环路,必然引导人们从边界入口抵达中心终点(根本无需阿里阿德涅的线团……)。迷宫的路径由"墙壁"界定,这些墙可以是真实墙体、灌木丛、地板上异色镶嵌的瓷砖,甚至简单的线条。以卢卡大教堂门廊立柱上著名的石刻迷宫为例,其"墙壁"实为界定抬高路径的凹槽(图4)。


图4:卢卡大教堂门廊立柱上的石刻迷宫

古代迷宫(如图5a所示)与中世纪迷宫略有差异,但原理相通。无论何种形式,总有一道墙从中心延伸至边界。此时可沿此墙剖开,将图案"展开"(图5)。


图5:迷宫展开示意图:(a) 克里特迷宫 (b) 中世纪迷宫

迷宫之路,虽为单线,却不直白——它蜿蜒曲折,盘绕纠结,从词源学意义上讲就是"折叠"且不断"自我折叠"。它传递着目标遥不可及的错觉,尽管终点实则无可避免。更重要的是,这条路径遍历了迷宫所围合区域的每一寸空间。

这些特征与空间填充曲线或FASS曲线(空间填充、自避、简单、自相似)高度契合:后者同样具有单路属性,通过递归折叠,不仅遍历平面区域的每一部分,更延伸至每一个点,直至完全填满空间。其中最为著名的当属皮亚诺曲线与希尔伯特曲线(见图6a与7a所示的第二阶段、图6b与7b所示的第三阶段皮亚诺曲线,以及图8a所示的第三阶段、图8b所示的第四阶段希尔伯特曲线——均以L系统形式呈现,白线黑底)。


图6:皮亚诺曲线的笛卡尔坐标至极坐标转换(变体一):(a) 第二阶段 (b) 第三阶段


图7:皮亚诺曲线的笛卡尔坐标至极坐标转换(变体二):(a) 第二阶段 (b) 第三阶段


图8:希尔伯特曲线的笛卡尔坐标至极坐标转换:(a) 第三阶段 (b) 第四阶段

迷宫与FASS曲线的主要区别在于:前者的路径从圆周(或变形边界)延伸至圆心,而后者的路径则从正方形的一个角落通往另一个角落。这正是笛卡尔坐标至极坐标转换大显身手的领域。以皮亚诺曲线为例,其起点与终点位于对角两端,存在两种变体(分别如图6与图7所示)。

这一实验不仅生成了新型迷宫,更凸显了极坐标圆盘的独特拓扑结构——圆心与圆周的角色由此明确分化。然而,该实验尚未充分利用其周期拓扑特性:如同经典迷宫般,仍存在一道从圆心延伸至边界的隔墙,路径无法穿越。能够实现这一跨越的曲线,则是螺旋——我们将在完全不同的语境中与之相遇。

螺旋与密铺

笔者第二次邂逅笛卡尔坐标至极坐标转换,是在分析古罗马圆盘形马赛克(有时亦称圆形浮雕[3])之时。

是在研究叶序排布时,让[6]著作中的一幅插图引起了笔者的注意——那是一幅古罗马马赛克(《美杜莎之首罗马马赛克》,公元115-150年,罗马国家博物馆马西莫浴场宫藏)的模糊翻印图。这幅图像之所以奇异,在于其虽呈现螺旋形态,却与叶序螺旋毫无关联。该马赛克由固定数量的三角形嵌片构成,这些嵌片围绕小型装饰圆盘呈同心圆环(或称行列)排列。醒目的螺旋数量与每行三角形数量相等,且顺时针与逆时针螺旋数目相同——这些特征完全有别于叶序排布法则。

这类马赛克现存数例,多数采用三角形嵌片——或以深色三角形衬于浅底(图9a),或以色彩强化螺旋形态(图9b-c)。部分作品呈现更奇特的形状,但实为三角形变体;极少数采用四边形嵌片(图9d)。笔者尚未发现任何使用六边形嵌片的实例。分析这些纹样时,笔者首先统计了同心圆环的层数及各层嵌片形态,并注意到嵌片尺寸的渐变规律。多数纹样采用近似等边三角形,因此从圆心到圆周的环层深度逐渐递增(图9a-b)。但至少有一例,镶嵌师刻意保持环层深度恒定,导致圆心附近的三角形尖锐细长,而圆周附近的三角形扁平舒展(图9c)。


图9:马赛克纹样分析与模拟:(a) 美杜莎之首马赛克地砖,公元115-150年,J.保罗·盖蒂博物馆藏;(b) 狄俄尼索斯头像螺旋纹样马赛克,希腊科林斯出土;(c) 罗马几何纹样圆形马赛克,约公元3世纪;(d) 罗马马赛克,叙利亚出土,约公元4-5世纪

这些纹样显然是圆盘的密铺结构。我们可以对其进行推广:既消除圆心处的空白区域,又延伸至圆盘边界之外——同时保持环层深度(即嵌片高度)恒定或递减。


图10:广义密铺结构:(a) 三角形等高度密铺 (b) 四边形等高度密铺 (c) 三角形递减高度密铺 (d) 四边形递减高度密铺

恒定深度的第一类密铺(图10a-b)亦可解读为经笛卡尔坐标至极坐标转换后的平面经典密铺(图11;此处以黑色嵌片数量的三角形密铺为例)。


图11:密铺结构的笛卡尔坐标至极坐标转换:(a) 6x6三角形网格 (b) 6x6正方形网格 (c) 30x30三角形网格 (d) 30x30正方形网格

经典笛卡尔密铺中由嵌片错位产生的斜线并不显眼,但转换后的螺旋形态却格外突出——至少在密度足够时如此(图11c-d)。聪慧的镶嵌师正是通过着色强化了这些螺旋。

这一解读将我们带回笛卡尔坐标至极坐标转换及其深层含义。我们已见证水平线与垂直线的命运,但斜线又将如何演变(图12)?


图12:斜线的笛卡尔坐标至极坐标转换:(a) 等距对角线 (b) 等距锐角斜线 (c) 等距钝角斜线

由此可见,斜线转换后形成阿基米德螺旋——或单条螺旋,或多条螺旋。由此我们可为极坐标圆盘增添几何特性:阿基米德螺旋之于极坐标圆盘,恰如斜线之于笛卡尔平面。在图12a与12c中,自上而下的斜线转换为自圆心向边界延伸的螺旋(如同首节所述迷宫的路径)。而图12b的案例尤为有趣:它充分利用了周期拓扑结构,将多条斜线转化为单一连续螺旋。

另一种变深度密铺(图10c-d)则引导我们引入新型转换:其中θ = 2πy/d保持不变,但r = a^x(a值根据圆盘尺寸合理选取)。不妨称之为对数型(借喻此类螺旋特性)笛卡尔坐标至极坐标转换。让我们观察这种转换如何重塑笛卡尔肖像(图13)与密铺结构(图14):


图13:对数型笛卡尔坐标至极坐标转换应用于勒内·笛卡尔肖像


图14:密铺结构的对数型笛卡尔坐标至极坐标转换:(a) 6x6三角形网格 (b) 6x6正方形网格 (c) 30x30三角形网格 (d) 30x30正方形网格

最后,垂直线条仍转换为放射状射线,水平线条转换为同心圆环(图15),而斜线则转换为对数螺旋(图16)。


图15:对数型笛卡尔坐标至极坐标转换中的线条变换:(a) 垂直线条 (b) 水平线条


图16:斜线的对数型笛卡尔坐标至极坐标转换:(a) 等距对角线 (b) 等距锐角斜线 (c) 等距钝角斜线

至此,我们定义了两类笛卡尔坐标至极坐标转换:第一类将斜线映射为阿基米德螺旋,第二类则映射为对数螺旋。这一思路可进一步延伸——通过定义其他笛卡尔坐标至极坐标转换,使斜线演变为任意类型的螺旋曲线。

结论

我们对笛卡尔坐标至极坐标转换的探索,揭示了极坐标圆盘的独特拓扑结构——以圆心与单一边界为特征,消解了方位之分,并催生了螺旋形态。需再次强调:对于拓扑学而言,边界的实际形态并不重要——正方形若被视为具有圆心与周界而无方位之分的空间,同样适用。迷宫常被内接于正方形或其他正多边形中。我们的研究虽源于圆盘形马赛克镶嵌画与迷宫(后者同样常见于马赛克艺术),但其应用显然超越这些领域,尤其在建筑学中。

迷宫是建筑的起源神话之一。路径定义是建筑师的核心任务,博物馆参观流线便是典型例证——这一问题恰好串联起我们的两大主题。两位建筑巨匠不约而同选择了螺旋形态:勒·柯布西耶将其"无限增长博物馆"内嵌于正方形,弗兰克·劳埃德·赖特则以螺旋坡道缔造古根海姆博物馆。而彼得·艾森曼为广东博物馆设计的迷宮式路径,则展现了更复杂的空间探索。这些案例表明,迷宫与螺旋虽为二维纹样,却可升维至三维空间。

参考文献

[1] L. Bleicher. “Serial Polar Transformations of Simple Geometries.” ISAMA-CTI 2004 Proceedings, Chicago, USA, June 17-19, 2004, pp. 65-68.

[2] M.-P. Corcuff. “From Labyrinths and Recursive Folds Towards Generative Architecture.” 15th Generative Art Conference Proceedings, Lucca, Italy, December 10-12, 2012, pp. 223-238. https://www.generativeart.com/GA2012/marie-pascale.pdf.

[3] M.-P. Corcuff. “Spiraling Around.” 26th Generative Art Conference Proceedings, Rome, Italy, December 11-13, 2023, pp. 208-232. https://generativeart.com/GA2023/papersDOC/OK/25_mariepascale_corcuff_paper.pdf.

[4] C. Elliot. “Functional Image Synthesis.” Bridges Conference Proceedings, Winfield, USA, July 27- 29, 2001, pp. 139-158. https://archive.bridgesmathart.org/2001/bridges2001-139.html.

[5] G. R. Greenfield. “Serial Polar Transformation Motifs Revisited.” Bridges Conference Proceedings, Banff, Canada, July 31-August 3, 2005, pp. 443-448. https://archive.bridgesmathart.org/2005/bridges2005-443.html.

[6] R. V. Jean, Phyllotaxis. A Systemic Study in Plant Morphogenesis. Cambridge University Press, 1994.

[7] Marie-Pascale Corcuff, Labyrinths and Space-Filling Curves, Spirals and Tessellations: Topological and Geometrical Implications of Cartesian to Polar Transformations

最后照例放些跟张大少有关的图书链接。

青山 不改,绿水长流,在下告退。

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